果然！當日下午十四時，薛岳就收到了蔣介石的命令，命其務必在十月九日二十四時前全殲該敵，結束戰鬥，作為給「雙十節」的獻禮，於是十五時，薛岳命令各部隊選拔勇壯士二百至五百人組成奮勇隊，擔任先頭突擊，同時各部長官一律靠前指揮，薛岳自己也親臨一線督戰。
當晚十八時，經過中**隊的炮火準備，十九時整，十路奮勇隊全面出擊，各主力部隊緊隨其後，向箭爐蘇、萬家嶺、田步蘇、雷鳴鼓劉、楊家山等地全線攻擊。
望著挺身而出的奮勇隊官兵的慷慨赴死的壯舉，高飛的主動請纓被薛岳直接拒絕了，還派遣了兵團警衛團監視其先遣部隊的動向，薛岳絕對不能讓高飛這支尚未正式成軍的先遣隊在自己中手出問題。
薛岳下令從各師中選派的精兵強將組成奮勇隊，於當日晚十九時從敵後偷襲敵軍，搶佔制高點，兩面進攻，十路奮勇隊的總隊長就是張靈甫，張古山的地勢險要，對在山上憑險據守的日軍極為有利，在這樣的山勢前，靠仰攻拿下山頭是要付出極大傷亡代價。
由誰來擔任主攻？王耀武再此之前曾在師部召集旅團長們討論作戰方案的時候，已是第五十一師所部第一五三旅少將旅長張靈甫主動請纓，討論作戰方案的時候，眾人認為張古山地勢險要，易守難攻，張靈甫拍案而起，大喝道眾人稱諸位看過《三國演義》，魏國大將鄧艾為攻取成都，出蜀將之不意，帶精兵暗渡陰平，飛越摩天嶺，一舉攻克了江油、涪城和成都！我軍當可仿此戰例，大軍從正面進攻的同時，再挑選一批精兵強將，從人跡罕至的張古山背面進行偷襲，以收兩面夾攻之效。
於是，張靈甫親率一支突擊隊傚法鄧艾輕裝出發，他們沿著後山絕壁攀木掛樹，在黑暗中披荊斬棘，穿過艱險的深山峽谷，老林惡水，從日軍疏於防範的張古山後山絕壁上進攻，飛奪張古山。
十路奮勇隊中的九隊在突擊作戰開始的十五分鐘就全軍覆沒，要知道這九支奮勇隊全部是由軍官、士官與有經驗的老兵組成的，王耀武為了掩護張靈甫的奇襲，也只能拼了血本吸引日軍的注意力，張古山正面陣地上，進攻中的中**隊幾乎是在踏著堆積如山的屍體在一寸一寸的前進。
少將旅長親率敢死隊進行決死突擊，這在**之中也是不多見的，正所謂一將拚命，萬兵赴死！在張靈甫的激勵下，奮勇隊的隊員爭先恐後猛衝猛打，一舉復克張古山。
而後，不甘失敗的稻葉四郎為了最後的生機，直接越過岡村寧次請求畑俊六出動全部能夠出動的作戰飛機，並用炮彈最後所存無幾的重炮狂轟濫炸，幾乎將張古山夷為平地。
張靈甫則率部浴血死戰，與日寇鏖戰五天五夜，陣地得而復失、失而復得，反覆拉鋸，張靈甫親抵前線操起機槍向日軍射擊，身中七塊彈片，，鮮血直流染紅軍服依舊誓死不退下火線。
張古山的攻取封死了日軍第一零六師團的最後退路，可以說張靈甫的死守為最終全殲該師團起到了至關重要的作用，張靈甫抱著戰至最後一兵一彈的決心，與日軍反覆衝殺，最終守住了張古山主陣地，突圍的日軍殘部全部被堵在了張古山下，稻葉四郎可謂是上天無路，入地無門！
各部隊悍勇無畏，前赴後繼，踏屍猛衝！一夜血戰，日軍第一零六師團的防禦陣地徹底崩潰。
激戰至十日清晨，第六十六軍收復萬家嶺、田步蘇，第四軍收復大金山西南高地和箭爐蘇以東高地，第七十四軍收復張古山，第九十一師收復楊家山東北無名村，第一四二師收復楊家山北端高地。
戰鬥中，第四軍前衛突擊隊突至萬家嶺第一零六師團司令部附近，自身也傷亡非常之重，但是全體官兵亦發揚有我無敵的作戰精神，猛衝猛打，日軍第一零六師團中將師團長稻葉四郎死於混戰之中。
據戰役結束後一名日俘供認：「中國曾經幾次攻至師團部附近，司令部勤務人員，都全部出動參加戰鬥，稻葉四郎師團長也持槍參加戰鬥，最後一支突如其來的中**隊突擊隊的出現，徹底的擊垮了師團部最後的抵抗，戰至中午第一零六師團殘部千退守雷鳴鼓劉、石馬坑劉、桶漢傅、松樹熊等不到五平方公里的地區內固守待援。岡村寧次嚴令各部不惜代價，增援萬家嶺，天空中日軍戰機猶如飛蝗。
鑒於已經全殲日軍第一零六師團主力，並且擊斃其師團長稻葉四郎中將、第一零六師團參謀長秋山義隆大佐、步兵第一一一旅團旅團長山地恆少將、步兵第一三六旅團旅團長青木成一少將、步兵第一一三聯隊聯隊長田中聖道大佐、步兵第一二三聯隊聯隊長飯野賢大佐、步兵第一四五聯隊聯隊長長市川大佐等一百二十餘名官佐被擊斃於萬家嶺一役。
鑒於此次戰役的主要目的已經達到，而各部隊傷亡均極慘重，於是薛岳命令各部撤出戰鬥，全軍退守永豐橋、郭背山、柘林一線。隨後，薛岳電稟武漢軍委會，此次敵穿插迂迴作戰之企圖雖遭挫折，但我集中圍攻，將敵突入之部隊全面給予殲滅，開創成建制殲滅日軍師團之先例。
歷史上根據日本俘虜後來交代，當時只要**再推進一百公尺，日軍第一零六師團的松浦淳六郎師團長就只得剖腹了。
這差點成為八年抗戰中唯一一次全殲日軍一個師團的戰例，但是差一點終歸是差一點，而且現在指揮第一零六師團的並不是歷史上的松浦淳六郎，而是驕橫一時的稻葉四郎，而且高飛還幹掉了畑俊六親自組織的軍官團空投支援。
在這樣的結果之下，稻葉四郎所指揮的第一零六師團自然是在劫難逃！稻葉四郎本人身中數彈，日軍第一零六師團遭到全殲，急匆匆趕來的日第二十七師團、第十六師團、第六師團唯一能夠做的就是替第一零六師團的侵略者們收屍！